生物芯片相关研究<%=id%>

摘要:源于分子电子器件的生物芯片的涵义不再局限于分子电子器件和计算机意义上的芯片概念，如生物传感器。近几年出现的DNA芯片则是一种高密度的寡聚核苷酸（DNA探针）阵列。DNA芯片主要是对生命信息进行储存和处理，如基因识别、鉴定、基因突变和基因表达的检测等，有可能成为今后生命科学研究和医学诊断中的革新技术。生物芯片制造的关键技术涉及将蛋白质、多肽、寡聚核苷酸等生物分子选择性或特异性地固定化在衬底上。蛋白质图案形成技术就是指将蛋白质分子固定在二维或三维空间的特定位置。目前这方面的工作还只局限于二维平面和微米尺度。但最近国外的研究人员获得了具有亚微米分辨率的金图案，并制备了抗生物素蛋白图案和寡聚核苷酸阵列。研究人员设计了自组装的二维DNA晶体，所得分子阵列具有纳米尺度上的周期性。利用图案化的细胞生长制造硅-细胞杂化体也是一种生物芯片。图案化的细胞培养技术在生物科学研究和医学临床中具有广泛的应用前景。今后的方向是提高芯片集成度，不断拓展应用，使在提高人类生命质量方面发挥越来越大的作用。
    1生物芯片的涵义及发展：
    从简单的包含生物元件的电子器件即生物传感器到基于分子电子学的生物芯片概念，从蛋白质分子的图案形成到高密度寡聚核苷酸阵列即DNA芯片，生物芯片技术的涵义极为广泛。日本NEC公司发明的包覆尿素酶的场效应晶体管是生物传感器的典型范例。70年代出现的生物芯片概念是从分子电子器件的设想发展而来的，它试图利用单个分子（如蛋白质等生物大分子）作为功能单元，并组装成一维的分子阵列直到三维系统，代替传统的微电子芯片，从而实现集成度的极大提高和器件的超微型化。
    这种源于分子电子器件的生物芯片概念极大地促进了蛋白质图案形成技术的发展。1978年，MacAlear和Wehrung利用微电子加工中的光刻技术在玻璃片表面形成特定的蛋白质图案，并申请了专利。研究人员进而致力于应用该技术制造可植入人体的生物芯片，例如能够帮助盲人重见光明的器件等。此后，蛋白质图案形成技术及其衍生技术获得很大的发展并得到广泛应用，如各种生物传感器的设计制造，图案化的细胞培养技术，多肽阵列乃至DNA芯片。生物芯片的涵义也不再局限于分子电子器件和计算机意义上的芯片概念，如生物传感器是利用了生物分子，如酶、抗体等的专一性和灵敏性与特定离子（Fe2+、Ca2+、Na+、K+、Pb2+）或有机分子（尿素、葡萄糖、氨基酸甚至某些蛋白质）相互作用，利用传统的电子器件进行信号的检测和传输，应用于医疗诊断、污染监测及化学工业。近几年出现的DNA芯片则是一种高密度的寡聚核苷酸（DNA探针）阵列，它采用原位组合合成化学和微电子芯片的光刻技术，或其他方法将大量特定序列的DN*段有序地固化在玻璃或硅衬底，从而构成储存有大量生命信息的DNA芯片。目前的DNA芯片并不用于分子电子器件或DNA计算机，而主要是对生命信息进行储存和处理，如基因识别、鉴定、基因突变和基因表达的检测等，由于它具有对生命信息进行高效的并行处理的特点，因此有可能成为今后生命科学研究和医学诊断中的革新技术。利用蛋白质图案形成技术可将控制细胞粘附的蛋白分子吸附在玻璃或硅基体表面的指定位置，从而可控制细胞在基体表面的粘附和展布，进而可控制细胞的形态与功能，如休眠、生长、增殖、分化、凋亡等行为，这对于利用细胞工程制造特定蛋白质、毒理学中的药物筛选、利用组织工程再生组织和器官都具有重要意义。
    2蛋白质图案形成技术及衍生技术：
    生物芯片制造的关键技术涉及将蛋白质、多肽、寡聚核苷酸等生物分子选择性或特异性地固定化在衬底（通常为玻璃或硅）上。蛋白质图案形成技术就是指将蛋白质分子固定在二维或三维空间的特定位置。目前这方面的工作还只局限于二维平面和微米尺度。蛋白质的固定主要依靠三种机制，最简单的是利用蛋白质分子和衬底表面的物理吸附，作用力包括离子性相互作用、疏水相互作用和范德华力等；比较稳定的固定方法是通过化学键合即蛋白质分子和衬底表面的共价结合，一种常用的交联剂为硅烷；第三种办法是采用高亲和性的配体对如外源凝集素、抗生物素蛋白-生物素蛋白等，其固定效果同共介结合类似。
    蛋白质图案形成技术除了利用传统微电子加工中的光刻技术外，还包括光化学方法和自组装单层膜技术。采用传统的光刻方法的基本过程是，首先在二氧化硅或金属表面光刻出所需图案，将氨基硅烷结合在暴露出的衬底表面，而后除去其它部位的光敏胶并用甲基硅烷或烷基硅烷等疏水性硅烷覆盖衬底表面。光化学方法则利用了某些化学不稳定的有机分子或基团在紫外光照射下被活化或钝化的性质，通过使用掩膜选择性地修饰衬底表面，进而形成蛋白质图案，常用方法包括芳基叠氮化学、硝基苄基笼蔽效应化学等。Prichard等将生物素蛋白尾部接上硝基芳基叠氮使之具有了光活性，并将处理后的生物素蛋白吸附到用抗生物素蛋白处理过的衬底表面，将这样处理后的基片放在蛋白质溶液中孵育，在选定掩膜下用紫外光辐照，使叠氮基转化为活跃的氮烯而插入到蛋白质分子中，换用不同的蛋白质溶液及掩膜并重复上述过程可以将五种不同的抗体固定

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